FR2651333A1 - DEVICE FOR FORMING FOCUSED SHOCK WAVES. - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention appartient au domaine de la physique technique, et concerne en particulier des dispositifs pour former des ondes de choc focalisées dans des milieux translucides et est utilisable en construction mécanique, en construction des appareils, en technologie chimique, etc... pour créer des contraintes locales dans un objet. De préférence,l'invention peut être mise en oeuvre en médecine pour établir des diagnostics et pour opérer la lithotripsie extra-corporelle. The invention belongs to the field of technical physics, and relates in particular to devices for forming shock waves focused in translucent media and can be used in mechanical construction, in device construction, in chemical technology, etc. to create local constraints in an object. Preferably, the invention can be implemented in medicine to establish diagnoses and to operate extra-corporeal lithotripsy.
L'efficacité de l'action d'une onde de choc focalisée sur un point donné de l'objet dépend d'une pluralité de facteurs, par exemple de l'amplitude de l'onde de choc, de la géométrie du bloc de focalisation, de la caractéristique énergétique du laser et, parmi ces facteurs, de la précision de focalisation de l'onde de choc qui, à son tour, dépend dans une grande mesure du système optique utilisé pour le dispositif spécifique.En particulier, plus le système optique pour focaliser l'onde de choc est compliqué, c'est-à-dire, plus nombreux sont les éléments optiques mutuellement indépendants qui le composent, et plus difficile est, en règle générale, l'utilisation du dispositif et sa mise au point, parce que tout déplacement relatif des éléments optiques entrain une défocalisation du dispositif et, avec elle, une impossibilité de focaliser l'onde de choc sur le point donné. The effectiveness of the action of a shock wave focused on a given point on the object depends on a plurality of factors, for example the amplitude of the shock wave, the geometry of the focusing block , the energy characteristic of the laser and, among these factors, the focusing accuracy of the shock wave which, in turn, depends to a large extent on the optical system used for the specific device. optical to focus the shock wave is complicated, that is to say, the more numerous are the mutually independent optical elements which compose it, and the more difficult is, as a rule, the use of the device and its focusing , because any relative displacement of the optical elements leads to a defocusing of the device and, with it, an impossibility of focusing the shock wave on the given point.
On connaît un dispositif pour former des ondes de choc focalisées qui contient, placés dans un liquide, un moyen de création d'onde de choc sphérique se présentant comme un éclateur à étincelles et un moyen de focalisation de cette onde sous l'aspect d'une ellipsolde tronqué, à l'éclateur à étincelles étant positionné dans le premier foyer de l'ellipsolde (DE, A, 3210919). A device is known for forming focused shock waves which contains, placed in a liquid, a means for creating a spherical shock wave presenting itself as a spark gap and a means for focusing this wave in the form of a truncated ellipsold, with the spark gap being positioned in the first focal point of the ellipsold (DE, A, 3210919).
Dans ce dispositif en fonctionnement, l'onde de choc sphérique engendrée en liquide par une décharge par étincelle survenue au foyer de l'ellipsolde (au point où se trouve le déchargeur) se focalisera, après réflexion par la surface elliptique, dans son second foyer. Mais du fait que la génération de l'onde de choc et sa focalisation sont réalisées par deux éléments indépendants et espacés, le schéma optique de ce dispositif est assez compliqué, ce qui rend difficiles l'utilisation du dispositif et sa mise au point.En particulier, l'emploi d'un réflecteur elliptique avec foyers strictement définis, l'un des foyers étant le point où l'onde de choc sphérique est engendrée, et l'autre, celui sur lequel elle est focalisée, oblige à faire coïncider avec une haute précision l'emplacement de l'éclateur à étincelles et le foyer de l'ellipsoide. In this device in operation, the spherical shock wave generated in liquid by a spark discharge occurring at the focal point of the ellipsold (at the point where the discharger is located) will focus, after reflection by the elliptical surface, in its second focal point . But because the generation of the shock wave and its focusing are carried out by two independent and spaced elements, the optical diagram of this device is quite complicated, which makes it difficult to use the device and its development. particular, the use of an elliptical reflector with strictly defined foci, one of the foci being the point where the spherical shock wave is generated, and the other, the one on which it is focused, forces to make coincide with high precision the location of the spark gap and the focal point of the ellipsoid.
Cependant, au fur et à mesure du fonctionnement du dispositif, les électrodes de l'éclateur se consument progressivement, la décharge par étincelles se déplace par rapport au foyer de l'ellipsolde et, par conséquent, l'onde de choc primaire se déforme et sa convergence en un point donné devient irréalisable.However, as the device operates, the spark gap electrodes gradually burn out, the spark discharge moves relative to the focal point of the ellipsold and, therefore, the primary shock wave deforms and its convergence at a given point becomes impractical.
En outre, l'emploi d'un éclateur à étincelles comme moyen de génération d'ondes de choc, surtout dans le cas où l'on utilise ce dispositif en médecine, est indésirable parce que la décharge par étincelles est une source de risque tant pour le personnel de service que pour le patient. In addition, the use of a spark gap as a means of generating shock waves, especially in the case where this device is used in medicine, is undesirable because spark discharge is a source of risk so much for service personnel as for the patient.
On connaît un dispositif pour former des ondes de choc focalisées qui comporte un laser en forme de cuvette contenant un liquide, et un moyen de focalisation du rayonnement laser et de focalisation d'ondes de choc sphériques plongé dans la cuvette (PCT/DE, 85/03631). There is known a device for forming focused shock waves which comprises a bowl-shaped laser containing a liquid, and a means for focusing the laser radiation and for focusing spherical shock waves immersed in the bowl (PCT / DE, 85 / 03631).
Ledit moyen se compose de deux éléments indépendants et espacés, par exemple d'un miroir parabolique qui focalise le rayonnement laser et d'un ellipsolde tronqué dont la surface sert à faire converger les ondes de choc sphériques. Le foyer du miroir parabolique doit se confondre avec un des foyers de l'ellipsolde tronqué.Said means consists of two independent and spaced elements, for example a parabolic mirror which focuses the laser radiation and a truncated ellipsid whose surface serves to converge the spherical shock waves. The focal point of the parabolic mirror should be confused with one of the focal points of the truncated ellipse.
Pour focaliser le rayonnement laser, on peut aussi faire appel à une lentille de Fresnel ou à une combinaison de plusieurs lentilles. To focus the laser radiation, one can also use a Fresnel lens or a combination of several lenses.
Dans ce dispositif, à la différence de la solution précédente, la génération de l'onde de choc sphérique se réalise par suite d'un claquage optique de milieu qui a lieu au point de concentration du rayonnement laser colncidant avec un des foyers de 1' ellipsoTde. In this device, unlike the previous solution, the generation of the spherical shock wave is carried out as a result of an optical breakdown of medium which takes place at the point of concentration of the laser radiation coinciding with one of the foci of 1 ' ellipsoTde.
Ici comme dans le dispositif précédent, l'onde de choc sphérique est focalisée dans l'autre foyer de ltellipsolde à la suite d'une réflexion de l'onde de choc de sa surface. C'est-à-dire que dans ce dernier dispositif, la focalisation du rayonnement laser qui a pour effet la génération d'une onde de choc et la focalisation de l'onde de choc sont réalisées aussi par deux éléments indépendants et espacés, et pour cette raison le système optique de ce dispositif est assez compliqué lui aussi.Or, comme indiqué plus haut, de la complexité du système optique découle une complexité de l'utilisation du dispositif et de sa mise au point, parce que n'importe quel microdéplacement des éléments indépendants dont l'un focalise le rayonnement laser et l'autre, l'onde de choc sphérique, entrante une défocalisation du dispositif et, donc, rend impossible la concentration de l'onde de choc dans un point donné de l'objet. Here, as in the previous device, the spherical shock wave is focused in the other focal point of the ellipsis following a reflection of the shock wave from its surface. That is to say, in this latter device, the focusing of the laser radiation which has the effect of generating a shock wave and the focusing of the shock wave are also carried out by two independent and spaced apart elements, and for this reason the optical system of this device is also quite complicated. However, as indicated above, from the complexity of the optical system follows a complexity of the use of the device and of its development, because any microdisplacement of independent elements, one of which focuses the laser radiation and the other, the spherical shock wave, entering a defocusing of the device and, therefore, makes it impossible to concentrate the shock wave in a given point of the object.
D'autre part, du fait que le point de focalisation des ondes de choc, qui coïncide avec l'un des foyers de l'ellipsolde, se trouvera dans le champ de rayonnement laser, l'utilisation d'un tel dispositif en médecine comporte un risque d'action nuisible du rayonnement laser sur le patient. Dans ces conditions, une protection du patient contre le rayonnement laser à l'aide d'un écran est irréalisable sans pertes considérables de l'énergie de l'onde de choc. On the other hand, because the focal point of the shock waves, which coincides with one of the focal points of the ellipsold, will be in the field of laser radiation, the use of such a device in medicine involves a risk of harmful action of laser radiation on the patient. Under these conditions, protection of the patient against laser radiation using a screen is impossible without considerable losses of the energy of the shock wave.
La présente invention a pour but de créer un dispositif pour former des ondes de choc focalisées dans lequel le moyen de focalisation du rayonnement laser qui assure la génération de l'onde de choc, et de focalisation de l'onde de choc sphérique, soit réalisé de façon à assurer la focalisation du rayonnement laser et la focalisation des ondes de choc sphériques par un seul élément, de simplifier par là le système optique du dispositif, de faciliter respectivement son utilisation et sa mise au point et, en fin de compte, d'améliorer la précision de focalisation de l'onde de choc. The present invention aims to create a device for forming focused shock waves in which the means for focusing the laser radiation which ensures the generation of the shock wave, and for focusing the spherical shock wave, is produced so as to ensure the focusing of the laser radiation and the focusing of the spherical shock waves by a single element, thereby simplifying the optical system of the device, respectively facilitating its use and its development and, ultimately, d '' improve the focusing accuracy of the shock wave.
L'objectif visé par l'invention est atteint par le fait que dans un dispositif pour former des ondes de choc focalisées qui contient un laser pulsé, une cellule remplie d'un milieu translucide au rayonnement laser, et un moyen de focalisation du rayonnement laser et des ondes de choc sphériques qui possède une surface pour focaliser les ondes de choc sphériques, le moyen de focalisation du rayonnement laser et des ondes de choc sphériques est selon l'invention réalisé sous forme d'une lentille concavo-convexe en matière translucide au rayonnement laser dont les surfaces ont des courbures différentes et la surface qui focalise les ondes de choc sphériques est concave. The objective of the invention is achieved by the fact that in a device for forming focused shock waves which contains a pulsed laser, a cell filled with a medium translucent to laser radiation, and a means for focusing the laser radiation. and spherical shock waves which has a surface for focusing the spherical shock waves, the means for focusing the laser radiation and spherical shock waves is according to the invention produced in the form of a concavo-convex lens of material translucent to the laser radiation whose surfaces have different curvatures and the surface which focuses the spherical shock waves is concave.
Dans le dispositif proposé, le rayonnement laser est focalisé par la lentille concavo-convexe réalisée en matière translucide au rayonnement laser, tandis que l'onde choc sphérique est focalisée par la surface concave de la même lentille, c'est-à-dire que la focalisation du rayonnement laser et la focalisation de l'onde de choc sphérique sont réalisées par un seul et même élément. In the proposed device, the laser radiation is focused by the concavo-convex lens made of material translucent to laser radiation, while the spherical shock wave is focused by the concave surface of the same lens, that is to say that the focusing of the laser radiation and the focusing of the spherical shock wave are carried out by one and the same element.
En conséquence, le système optique de ce dispositif sera plus simple que celui du dispositif réalisé selon PCT/DEB5/03631, d'où la probabilité beaucoup moindre de défocalisation du dispositif et, naturellement, une simplification considérable de son utilisation et de sa mise au point. Consequently, the optical system of this device will be simpler than that of the device produced according to PCT / DEB5 / 03631, hence the much lower probability of defocusing the device and, of course, a considerable simplification of its use and setting point.
Les demandeurs ont découvert que pour obtenir deux focalisations à la fois, du rayonnement laser et de l'onde de choc sphérique, il faut que les surfaces de la lentille aient des valeurs différentes de courbure, le rapport entre les courbures des surfaces de la lentille déterminant la disposition relative du point de focalisation du rayonnement laser et du point de focalisation des ondes de choc. The applicants have discovered that to obtain two focal points at the same time, laser radiation and spherical shock wave, it is necessary that the surfaces of the lens have different values of curvature, the ratio between the curvatures of the surfaces of the lens. determining the relative arrangement of the focal point of laser radiation and the focal point of shock waves.
Cette propriété importante du dispositif proposé permet d'utiliser un jeu de lentilles interchangeables avec différents rapports de courbure de leurs surfaces pour régler à souhait la disposition relative du point de focalisation du rayonnement laser et du point de focalisation de l'onde de choc, et par là, de simplifier davantage la manipulation du dispositif. This important property of the proposed device makes it possible to use a set of interchangeable lenses with different curvature ratios of their surfaces to adjust as desired the relative arrangement of the focal point of the laser radiation and the focal point of the shock wave, and thereby further simplifying the handling of the device.
Une variante de réalisation du dispositif est possible, dans laquelle la surface concave de la lentille est tournée vers le laser tandis que sa surface convexe comporte un revêtement qui réfléchit le rayonnement laser. An alternative embodiment of the device is possible, in which the concave surface of the lens faces the laser while its convex surface has a coating which reflects the laser radiation.
Dans cette version du dispositif, le rayonnement laser est focalisé par la surface réflectrice de la lentille et l'onde de choc sphérique, par sa surface concave, le point de focalisation de l'onde de choc sphérique se retrouvant entre le laser et la lentille. In this version of the device, the laser radiation is focused by the reflective surface of the lens and the spherical shock wave, by its concave surface, the focal point of the spherical shock wave being found between the laser and the lens. .
Dans une autre variante possible de réalisation du dispositif, c'est la surface convexe de la lentille qui regarde le laser. In another possible variant embodiment of the device, it is the convex surface of the lens which looks at the laser.
Ici, le rayonnement laser est focalisé par la lentille (par ses deux surfaces, convexe et concave, et par le milieu situé entre elles), tandis que l'onde de choc sphérique est focalisée par la surface concave de la lentille. Here, the laser radiation is focused by the lens (by its two surfaces, convex and concave, and by the medium between them), while the spherical shock wave is focused by the concave surface of the lens.
Le point de focalisation de l'onde de choc sphérique sera disposé du côté de la lentille opposé au laser. The focal point of the spherical shock wave will be placed on the side of the lens opposite the laser.
Les deux versions proposées de réalisation du dispositif pour former des ondes de choc focalisées, en ce qui concerne le problème à résoudre, c'est-à-dire focalisation du rayonnement laser et des ondes de choc sphériques par un seul et même élément, sont des solutions équivalentes. Dans leur mise en oeuvre, ces deux versions de réalisation du dispositif diffèrent par l'emplacement du point de focalisation de l'onde de choc par rapport au laser et à la lentille, et de ce fait, on peut prévoir pour elles, différents champs d'application. The two proposed versions of the device for forming focused shock waves, with regard to the problem to be solved, that is to say focusing of the laser radiation and spherical shock waves by a single element, are equivalent solutions. In their implementation, these two embodiments of the device differ in the location of the focal point of the shock wave relative to the laser and to the lens, and therefore, different fields can be provided for them. of application.
Dans chacune des variantes proposées de réalisation du dispositif, les principaux axes optiques des surfaces convexe et concave peuvent être orientés sous un angle l'une par rapport à l'autre. In each of the proposed embodiments of the device, the main optical axes of the convex and concave surfaces can be oriented at an angle to each other.
Avec une telle disposition des principaux axes optiques des surfaces de la lentille, le point de focalisation de l'onde de choc se trouvera déplacé de l'axe du rayonnement laser, et il sera facile de l'en protéger par écran, sans risque réel de pertes d'énergie de l'onde de choc. With such an arrangement of the main optical axes of the lens surfaces, the focal point of the shock wave will be displaced from the axis of the laser radiation, and it will be easy to protect it by screen, without real risk. energy loss from the shock wave.
Pour cette raison, le dispositif pour former des ondes de choc focalisées, réalisé selon cette dernière variante est surtout préférable pour une utilisation en médecine. For this reason, the device for forming focused shock waves, produced according to this latter variant is especially preferable for use in medicine.
Les avantages précités, ainsi que d'autres caractéristiques de la présente invention seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui suit, des meilleures variantes de réalisation de l'invention, donnée en regard des dessins annexés dans lesquels
- la figure 1 représente un schéma du dispositif pour former des ondes de choc focalisées, variante de réalisation où la surface concave de la lentille comporte un revêtement qui réfléchit le rayonnement laser
- la figure 2 est un schéma du dispositif selon la figure 1, où les principaux axes optiques des surfaces de la lentille sont orientés sous un angle l'un par rapport à l'autre ; et
- la figure 3 est un schéma du dispositif pour former des ondes de choc focalisées, réalisé selon une autre variante.The aforementioned advantages, as well as other characteristics of the present invention will be better understood on reading the detailed description which follows, of the best alternative embodiments of the invention, given with reference to the appended drawings in which
- Figure 1 shows a diagram of the device for forming focused shock waves, alternative embodiment where the concave surface of the lens has a coating which reflects laser radiation
- Figure 2 is a diagram of the device according to Figure 1, where the main optical axes of the lens surfaces are oriented at an angle to each other; and
- Figure 3 is a diagram of the device for forming focused shock waves, produced according to another variant.
Le dispositif pour former des ondes de choc focalisées contient selon l'invention un laser pulsé 1 (figures 1 à 3), une cellule 2 comprenant un milieu translucide au rayonnement laser, et un moyen 3 de focalisation du rayonnement laser et de focalisation des ondes de choc sphériques, placé dans la cellule 2. The device for forming focused shock waves contains according to the invention a pulsed laser 1 (FIGS. 1 to 3), a cell 2 comprising a medium translucent to laser radiation, and a means 3 for focusing the laser radiation and for focusing the waves. of spherical shock, placed in cell 2.
La cellule 2 peut se présenter, par exemple, comme une cuvette remplie de liquide ou de gaz translucide au rayonnement laser. Le moyen 3 de focalisation du rayonnement laser et de focalisation de l'onde de choc sphérique est réalisé en forme de lentille concavo-convexe qui possède une surface concave 4 et une surface convexe 5 dont les valeurs de courbure sont différentes. La lentille 3 est fabriquée en matière translucide au rayonnement laser. Cell 2 can be, for example, like a bowl filled with liquid or gas translucent to laser radiation. The means 3 for focusing the laser radiation and for focusing the spherical shock wave is produced in the form of a concavo-convex lens which has a concave surface 4 and a convex surface 5 whose values of curvature are different. The lens 3 is made of translucent material with laser radiation.
La surface concave 4 est celle qui focalise les ondes de choc sphériques. Le foyer Ol (figures 1 à 3) de la lentille 3 pour le rayonnement laser est situé devant la surface concave 4. Les surfaces 4 et 5 ont, par exemple, des formes sphériques. On peut également donner auxdites surfaces 4, 5 d'autres formes courbes, par exemple elliptiques, mais le procédé de façonnage des surfaces 4 et 5 sous forme sphérique est plus facilement réalisable. The concave surface 4 is that which focuses the spherical shock waves. The focal point Ol (Figures 1 to 3) of the lens 3 for the laser radiation is located in front of the concave surface 4. The surfaces 4 and 5 have, for example, spherical shapes. Said surfaces 4, 5 can also be given other curved shapes, for example elliptical, but the process of shaping the surfaces 4 and 5 in spherical form is more easily practicable.
Selon la première variante de réalisation du dispositif selon l'invention, représentée sur la figure 1, la surface concave 4 est tournée vers le laser 1 tandis que la surface convexe 5 est réalisée avec un revêtement 6 qui réfléchit le rayonnement laser, par exemple avec argenture. Le point 01 de focalisation du rayonnement laser est situé entre le laser 1 et la surface concave 4. According to the first alternative embodiment of the device according to the invention, shown in FIG. 1, the concave surface 4 is turned towards the laser 1 while the convex surface 5 is produced with a coating 6 which reflects the laser radiation, for example with silvering. The laser radiation focusing point 01 is located between the laser 1 and the concave surface 4.
Le point # 2 de focalisation de l'onde de choc sphérique est situé entre le laser 1 et la lentille 3, la distance d de la surface concave 4 de la lentille 3 au point 0, 2 de focalisation de l'onde de choc sphérique dépendant du rapport entre les valeurs de la courbure des surfaces 4 et 5 de la lentille 3.Dans le cas où les surfaces 4, 5 de la lentille 3 sont exécutées comme surfaces sphériques, ladite distance d est calculable à l'aide de la relation suivante
où R1 est le rayon de courbure de la surface con
vexe S
R2, le rayon de courbure de la surface con
cave 4
g = nl/n2, nl et n2 étant respectivement les
indices de réfraction du milieu translucide au
rayonnement laser et de la matière dont est
faite la lentille 3
L , l'épaisseur moyenne de la lentille 3 ; et
d , la distance entre la surface concave 4 de la lentille 3 et le point 0, 2 de focalisation de
l'onde de choc.The focal point # 2 of the spherical shock wave is located between the laser 1 and the lens 3, the distance d from the concave surface 4 of the lens 3 to the focal point 0.2 of the spherical shock wave depending on the ratio between the values of the curvature of the surfaces 4 and 5 of the lens 3. In the case where the surfaces 4, 5 of the lens 3 are executed as spherical surfaces, said distance d can be calculated using the relation next
where R1 is the radius of curvature of the surface con
vexe s
R2, the radius of curvature of the surface con
cellar 4
g = nl / n2, nl and n2 being respectively the
refractive indices from the translucent medium to
laser radiation and matter of which is
make lens 3
L, the average thickness of the lens 3; and
d, the distance between the concave surface 4 of the lens 3 and the focal point 0.2 of
the shock wave.
La relation (1) a été déduite de l'expression pour les invariants d'Abbe dans le cas de réfraction et réflexion de rayons sur une surface sphérique (G.S. Landsberg, "L'Optique", 1976, Editions "Nauka",
Moscou, page 926) en tenant compte de la différence des indices de réfraction n2 de la matière de la lentille 3 et nl du milieu translucide dans lequel est formée une onde de choc.The relation (1) was deduced from the expression for the Abbe invariants in the case of refraction and reflection of rays on a spherical surface (GS Landsberg, "L'Optique", 1976, Editions "Nauka",
Moscow, page 926) taking into account the difference in the refractive indices n2 of the material of the lens 3 and nl of the translucent medium in which a shock wave is formed.
Lorsqu'on donne aux surfaces 4 et 5 des formes non sphériques mais proches de sphères, la relation (1) sera juste, si l'on entend sous R1 et R2 les valeurs moyennes des courbures des surfaces 5 et 4. Pour une autre forme géométrique des surfaces 4 et 5, par exemple elliptique, on peut calculer la distance d de la surface concave 4 au point # 2 de focalisation de l'onde de choc selon les procédés connus (G.G. Sljusarev, "Méthodes de calcul de systèmes optiques", 1937, Editions ONTI de livres de physique théorique, Moscou-Léningrad, page 577). When we give surfaces 4 and 5 non-spherical forms but close to spheres, the relation (1) will be right, if we hear under R1 and R2 the mean values of the curvatures of surfaces 5 and 4. For another form geometrical of surfaces 4 and 5, for example elliptical, one can calculate the distance d from the concave surface 4 to the point # 2 of focus of the shock wave according to known methods (GG Sljusarev, "Methods of calculating optical systems" , 1937, ONTI editions of books on theoretical physics, Moscow-Leningrad, page 577).
Ceci veut dire que dans ce dispositif, on peut utiliser un jeu de lentilles interchangeables 3 avec différents rapports entre les valeurs de courbure des surfaces 4 et 5, et respectivement avec différents emplacements des points 0, 2 de focalisation de l'onde de choc, ce qui simplifie le service du dispositif. Pour focaliser à la fois le rayonnement laser et l'onde de choc, la lentille 3 doit être fabriquée en matière translucide au rayonnement laser et ayant un coefficient de réflexion suffisamment élevé pour les ondes de choc à la frontière séparant la surface concave 4 de la lentille et le milieu translucide, lequel coefficient se caractérise par les résistances d'onde du milieu translucide Z1 et du corps solide Z2 qui forme la lentille 3. This means that in this device, it is possible to use a set of interchangeable lenses 3 with different ratios between the values of curvature of the surfaces 4 and 5, and respectively with different locations of the points 0, 2 of focus of the shock wave, which simplifies the service of the device. To focus both the laser radiation and the shock wave, the lens 3 must be made of material translucent to the laser radiation and having a sufficiently high reflection coefficient for the shock waves at the border separating the concave surface 4 from the lens and the translucent medium, which coefficient is characterized by the wave resistances of the translucent medium Z1 and of the solid body Z2 which forms the lens 3.
La relation suivante est valable pour les résistances d'onde Z1 et Z2 :
où ÉT est la limite d'élasticité de la matière de la
lentille en N/m2 ;
PO, l'amplitude de la pression dans l'onde de choc
à la frontière entre le milieu translucide et
la lentille en N/m2 ;
Z1 = P1C1 P1C1 Z2 P1C1 = P2C2 ; P1 et P2 étant les densités respectives du milieu
translucide et de la manière de la lentille 3
en kg/m2 ;
C1 et C2 sont respectivement les vitesses du son dans le
milieu translucide et dans le corps solide en
m/s, et
est le minimum présélectionné du coefficient de
réflexion de ondes de choc en intensité.The following relationship is valid for wave resistors Z1 and Z2:
where ET is the yield stress of the material of the
lens in N / m2;
PO, the amplitude of the pressure in the shock wave
at the border between the translucent medium and
the lens in N / m2;
Z1 = P1C1 P1C1 Z2 P1C1 = P2C2; P1 and P2 being the respective densities of the medium
translucent and in the way of the lens 3
in kg / m2;
C1 and C2 are the velocities of sound in the
translucent medium and in the solid body in
m / s, and
is the minimum preselected coefficient of
shock wave reflection in intensity.
En résolvant la relation (2) pour la résistance d'onde Z1 du corps solide, on a :
Ainsi, pour tout milieu translucide (liquide ou gaz) on peut, à l'aide de tableaux contenant les valeurs caractéristiques G7TS 2 C1 et C2, indiquer certaines matières qui satisfont à la relation restrictive (3). En plus, premièrement, l'action exercée par l'onde de choc sur la lentille 3 ne détruira la lentille 3 parce que l'amplitude de l'onde de pression sera inférieure à la limite de plasticité de la matière du corps solide, et deuxièmement, l'efficacité de focalisation de l'onde de choc sera suffisamment haute. Thus, for any translucent medium (liquid or gas) it is possible, using tables containing the characteristic values G7TS 2 C1 and C2, to indicate certain materials which satisfy the restrictive relation (3). In addition, firstly, the action exerted by the shock wave on the lens 3 will not destroy the lens 3 because the amplitude of the pressure wave will be less than the plastic limit of the material of the solid body, and second, the focusing efficiency of the shock wave will be high enough.
La lentille 3 peut être fabriquée par exemple en verre au plomb, ou en verre quartzeux. The lens 3 can be produced, for example, from lead glass, or from quartz glass.
Dans le dispositif utilisé dans des domaines où une action du rayonnement laser sur l'objet est indésirable, par exemple en médecine, les principaux axes optiques (figure 2) de la surface concave 4 et de la surface convexe 5 sont orientés sous un angle l'un par rapport à l'autre. Alors, le point #2 de focalisation de l'onde de choc sera disposé en dehors du flux de rayonnement laser et pourra facilement être protégé par écran. In the device used in fields where an action of laser radiation on the object is undesirable, for example in medicine, the main optical axes (FIG. 2) of the concave surface 4 and of the convex surface 5 are oriented at an angle l 'one over the other. Then, the focal point # 2 of the shock wave will be placed outside the flux of laser radiation and can easily be protected by a screen.
la figure 2 montre un dispositif pour former des ondes de choc focalisées, dans lequel le principal axe optique de la surface convexe 5 à poly-miroir est situé sur l'axe optique du laser 1 tandis que le principal axe optique de la surface concave 4 est situé par rapport à lui sous un angle. Ici, l'angle d'inclinaison de l'axe optique de la surface concave 4 par rapport au principal axe optique de la surface convexe 5, est choisi de façon à optimiser la structure de l'ensemble, pour rendre plus commode la disposition de l'objet (notamment, du patient), de l'appareillage, etc ... FIG. 2 shows a device for forming focused shock waves, in which the main optical axis of the convex surface 5 with poly-mirror is located on the optical axis of the laser 1 while the main optical axis of the concave surface 4 is located in relation to it at an angle. Here, the angle of inclination of the optical axis of the concave surface 4 relative to the main optical axis of the convex surface 5, is chosen so as to optimize the structure of the assembly, to make the arrangement of the object (in particular, of the patient), of the apparatus, etc.
La figure 3 représente une autre variante de réalisation du dispositif pour former des ondes de choc focalisées selon lequel la lentille 3 tourne sa surface convexe 5 vers le laser 1. FIG. 3 represents another alternative embodiment of the device for forming focused shock waves according to which the lens 3 turns its convex surface 5 towards the laser 1.
Le foyer O1 de la lentille 3 où se focalise le rayonnement laser, ici comme dans la première variante, sera situé du côté de la surface concave 4 de la lentille 3. Le point 02 de focalisation des ondes de choc se trouvera du côté de la lentille 3 opposé au laser 1. The focal point O1 of the lens 3 where the laser radiation is focused, here as in the first variant, will be located on the side of the concave surface 4 of the lens 3. The focal point 02 of shock waves will be on the side of the lens 3 opposite laser 1.
Alors pour focaliser l'onde de choc à une distance donnée de la surface concave 4 de la lentille 3, il faut satisfaire à la relation suivante (dans le cas où les surfaces 4 et 5 sont de forme sphérique)
où R1 est le rayon de courbure de la surface convexe
5
R2, le rayon de courbure de la surface concave 4
& = nl/n2, nl et n2 étant respectivement les
indices de réfraction du milieu translucide et
de la matière de la lentille 3
l'épaisseur moyenne de la lentille 3 ; et
d, la distance présélectionnée entre la surface concave 4 et le point 0, 2 de focalisation des
ondes de choc.So to focus the shock wave at a given distance from the concave surface 4 of the lens 3, it is necessary to satisfy the following relation (in the case where the surfaces 4 and 5 are spherical)
where R1 is the radius of curvature of the convex surface
5
R2, the radius of curvature of the concave surface 4
& = nl / n2, nl and n2 being respectively the
refractive indices of the translucent medium and
lens material 3
the average thickness of the lens 3; and
d, the preselected distance between the concave surface 4 and the focal point 0.2 of the
shock waves.
Cette expression, aussi bien que celle de la première variante de réalisation, a été déduite de la relation pour les invariants d'Abbe en cas de réfraction et de réflexion de rayons sur une surface sphérique. This expression, as well as that of the first variant embodiment, has been deduced from the relation for the Abbe invariants in the case of refraction and reflection of rays on a spherical surface.
Lorsqu'on donne aux surfaces 4 et 5 d'autres formes, on peut, pour calculer la distance d entre la surface concave 4 et le point 0 2 de focalisation de l'onde de choc, comme dans la première variante, recourir à des procédés connus (G.G. Sljousarev, "Méthodes de calcul de systèmes optiques, 1937, Editions ONTI de livres sur la physique, Léningrad-Moscou, page 577). When surfaces 4 and 5 are given other shapes, it is possible, to calculate the distance d between the concave surface 4 and the focal point 2 of the shock wave, as in the first variant, to use known processes (GG Sljousarev, "Methods of calculating optical systems, 1937, ONTI editions of books on physics, Leningrad-Moscow, page 577).
Il est évident que les variantes de réalisation du moyen 3 de focalisation du rayonnement laser et des ondes de choc sphériques, qui sont représentées sur la figure 1 et sur la figure 3, sont deux solutions équivalentes du problème de focalisation du rayonnement laser et de focalisation des ondes de choc par un seul et même élément, ce qui simplifie le schéma optique du dispositif pour former des ondes de choc focalisées et, donc, facilite son utilisation et sa mise au point. Dans l'un et l'autre cas, le rayonnement laser et l'onde de choc sont focalisés par une lentille 3 concavo-convexe qui fait converger le rayonnement laser et possède une surface concave 4 focalisant l'onde de choc.Etant donné que les variantes décrites du dispositif sont équivalentes, les considérations portant sur la matière dont est faite la lentille 3, sur l'inclinaison du principal axe optique (figure 2) de la surface concave 4 par rapport au principal axe optique de la surface convexe 5 de la lentille 3, ainsi que les possibilités concernant l'emploi d'un jeu de lentilles 3, exposées dans la description de la première variante du dispositif, sont également applicables au dispositif représenté sur la figure 3. It is obvious that the alternative embodiments of the means 3 for focusing the laser radiation and the spherical shock waves, which are represented in FIG. 1 and in FIG. 3, are two equivalent solutions of the problem of focusing of the laser radiation and of focusing. shock waves by a single element, which simplifies the optical diagram of the device for forming focused shock waves and, therefore, facilitates its use and its development. In both cases, the laser radiation and the shock wave are focused by a concavo-convex lens 3 which converges the laser radiation and has a concave surface 4 focusing the shock wave. the described variants of the device are equivalent, the considerations relating to the material of which the lens 3 is made, on the inclination of the main optical axis (FIG. 2) of the concave surface 4 relative to the main optical axis of the convex surface 5 of the lens 3, as well as the possibilities concerning the use of a set of lenses 3, exposed in the description of the first variant of the device, are also applicable to the device represented in FIG. 3.
On trouvera ci-dessous les paramètres numériques des variantes particulières de mise en pratique du dispositif selon l'invention pour former des ondes de choc focalisées. The numerical parameters of the particular variants of putting the device according to the invention into practice for forming focused shock waves are found below.
Dispositif pour former des ondes de choc focalisées selon la figure 1
Laser à rubis
- énergie rayonnante d'impulsion E r = 0,2 J
- durée d'impulsion C 15 à 20 ns
. Milieu translucide - bidistillat de H2O :
- indice de réfraction n1 = 1,33
- densité g1 = 103 kg/m3
- vitesse du son C1 = 1,43.103 m/s
- résistance d'onde Z1 = 1,43.106 kg/(m2 s)
La surface concave 4 de la lentille 3 est tournée vers le laser 1, la surface convexe 5 est dotée d'un revêtement à poly-miroir.Device for forming focused shock waves according to Figure 1
Ruby laser
- pulse radiant energy E r = 0.2 J
- pulse duration C 15 to 20 ns
. Translucent medium - H2O bidistillate:
- refractive index n1 = 1.33
- density g1 = 103 kg / m3
- speed of sound C1 = 1.43.103 m / s
- wave resistance Z1 = 1.43.106 kg / (m2 s)
The concave surface 4 of the lens 3 faces the laser 1, the convex surface 5 is provided with a poly-mirror coating.
Matière de la lentille - verre quartzeux
- indice de réfraction n2 = 1,51
- densité P2 = 2,5.103 kg/m3
- vitesse du son C2 = 5,6.103 m/s
- résistance d'onde Z2 = 14.106 kg/(m2. s)
- limite d'élasticité de la matière de la
lentille~ #T = 7,8.107 N/m2
- rayon de courbure de la surface convexe
R1 = 6.10#2 m
- rayon de courbure de la surface concave
R2 = 2,2.10#2 m
- épaisseur moyenne de la lentille
L = 0,2.10 2 m.Lens material - quartz glass
- refractive index n2 = 1.51
- density P2 = 2.5.103 kg / m3
- speed of sound C2 = 5.6.103 m / s
- wave resistance Z2 = 14.106 kg / (m2. s)
- elastic limit of the material of the
lens ~ #T = 7.8.107 N / m2
- radius of curvature of the convex surface
R1 = 6.10 # 2 m
- radius of curvature of the concave surface
R2 = 2.2.10 # 2 m
- average lens thickness
L = 0.2.10 2 m.
Le rayonnement laser est focalisé en un point Oî à une distance de 2,7.10-2 unem de la surface concave 4 de la lentille 3. L'onde de choc sphérique est focalisée en un point 02 à une distance de 4 à 5 mm du point 01. The laser radiation is focused at a point O at a distance of 2.7 × 10 -2 unem from the concave surface 4 of the lens 3. The spherical shock wave is focused at a point 02 at a distance of 4 to 5 mm from the point 01.
Avec les paramètres donnés Er, ~ , R1, R2,1a pression PO dans l'interface entre le liquide (bidistillat de H20) et le corps solide de la lentille 3 (verre quartzeux) atteint une valeur de l'ordre de 106 N/m2. With the parameters given Er, ~, R1, R2,1a pressure PO in the interface between the liquid (bidistillate of H20) and the solid body of lens 3 (quartz glass) reaches a value of the order of 106 N / m2.
Dispositif pour former des ondes de choc focalisées selon la figure 3. Device for forming focused shock waves according to Figure 3.
Laser à rubis
- énergie rayonnante d'impulsion E r = 0,2 J
- durée d'impulsion & 15 à 20 ns
Milieu translucide - bidistillat de H2O :
- indice de réfraction n1 = 1,33
- densité 1 = 103 kg/m3
- vitesse du son C1 = 1,43.103 m/s
- résistance d'onde Z1 = 1,43.106 kg/(m2.s).Ruby laser
- pulse radiant energy E r = 0.2 J
- pulse duration & 15 to 20 ns
Translucent medium - H2O bidistillate:
- refractive index n1 = 1.33
- density 1 = 103 kg / m3
- speed of sound C1 = 1.43.103 m / s
- wave resistance Z1 = 1.43.106 kg / (m2.s).
La surface convexe 5 de la lentille 3 est tournée vers le laser 1. The convex surface 5 of the lens 3 faces the laser 1.
Matière de la lentille - verre quartzeux
- indice de réfraction n2 = 1,51
- densité S, = 2,5.103 kg/m3
- vitesse du son C2 = 5,6.103 m/s
- résistance d'onde Z2 = 14.106 kg/(m2.s)
- limite d'élasticité de la matière de la
lentille #T = 7,8.207 N/m2
- rayon de courbure de la surface convexe
R1 = 1,6.10 2 m
- rayon de courbure de la surface concave
R2 = 0,15 m
- épaisseur moyenne de la lentille L = 2 mm.Lens material - quartz glass
- refractive index n2 = 1.51
- density S, = 2.5.103 kg / m3
- speed of sound C2 = 5.6.103 m / s
- wave resistance Z2 = 14.106 kg / (m2.s)
- elastic limit of the material of the
lens #T = 7.8.207 N / m2
- radius of curvature of the convex surface
R1 = 1.6.10 2 m
- radius of curvature of the concave surface
R2 = 0.15 m
- average thickness of the lens L = 2 mm.
Ici le rayonnement laser est focalisé en un point 01 situé à une distance de 0,142 m de la surface concave 4 de la lentille 3. L'onde de choc sphérique qui part du point #1 est focalisée par la surface concave 4 en un point 2 à une distance de la surface concave 4, égale à 0,16 m. Avec les paramètres donnés Ers r R1, R2 dans l'interface entre le liquide et le corps solide de la lentille 3 (respectivement bidistillat de H20 et verre quartzeux), la pression P atteint une valeur de l'ordre de 106 N/m2. o
Le dispositif représenté sur la figure 1 fonctionne de la manière suivante. Here the laser radiation is focused at a point 01 located at a distance of 0.142 m from the concave surface 4 of the lens 3. The spherical shock wave which starts from point # 1 is focused by the concave surface 4 at a point 2 at a distance from the concave surface 4, equal to 0.16 m. With the parameters given Ers r R1, R2 in the interface between the liquid and the solid body of the lens 3 (respectively bidistillate of H20 and quartz glass), the pressure P reaches a value of the order of 106 N / m2. o
The device shown in Figure 1 operates as follows.
Le rayonnement laser qui pénètre dans la cuvette 2 venant du laser 1, atteint la lentille 3, passe par la lentille 3 translucide au rayonnement laser, est réfléchi par la surface convexe 5 à poly-miroir de la lentille 3 et est focalisé au point 1 du milieu translucide. En conséquence, dans le point 1 du côté de la surface concave 4 de la lentille 3 a lieu un claquage optique du milieu et se forme une onde de choc sphérique de pression. Grâce au fait que la surface concave 4 de la lentille 3 est la surface qui focalise l'onde de choc, l'onde de choc sphérique, s'étant en partie réfléchie de la surface sphérique concave 4, se focalise au point 0 qui sera situé entre le laser 1 et la lentille 3.Ainsi, la focalisation du rayonnement laser et la focalisation de l'onde de choc sphérique sont réalisées par un seul et même élément : la lentille 3, ce qui simplifie le système optique du dispositif et, donc, son utilisation et sa mise au point, en comparaison du système optique du dispositif exécuté selon PCT/DE 85/03631. The laser radiation which penetrates into the bowl 2 coming from the laser 1, reaches the lens 3, passes through the lens 3 translucent to the laser radiation, is reflected by the convex surface 5 with poly-mirror of the lens 3 and is focused at point 1 translucent medium. Consequently, in point 1 on the side of the concave surface 4 of the lens 3, an optical breakdown of the medium takes place and a pressure spherical shock wave is formed. Thanks to the fact that the concave surface 4 of the lens 3 is the surface which focuses the shock wave, the spherical shock wave, having partly reflected from the concave spherical surface 4, focuses at point 0 which will be located between the laser 1 and the lens 3. Thus, the focusing of the laser radiation and the focusing of the spherical shock wave are carried out by a single and same element: the lens 3, which simplifies the optical system of the device and, therefore, its use and its development, in comparison with the optical system of the device executed according to PCT / DE 85/03631.
Le dispositif représenté sur la figure 3 fonctionne de la manière suivante. The device shown in Figure 3 operates as follows.
Le rayonnement laser émanant du laser 1 rencontre la surface convexe 5 de la lentille 3. Grâce au fait que la lentille 3 est fabriquée en matière translucide au rayonnement laser, celui-ci la traverse et est focalisé par les deux surfaces 5 et 4 de la lentille 3 et par le corps solide dans le point 1 du milieu translucide. en conséquence, au point O1 a lieu un claquage optique du milieu et se forme une onde de choc sphérique de pression. En vertu du fait que la surface concave 4 de la lentille 3 est la surface qui focalise l'onde de choc sphérique, celle-ci, s'étant en partie réfléchie de la surface concave 4, se focalise au point 2 situé du côté de la surface concave 4 de la lentille 3, opposé au laser 1. The laser radiation emanating from the laser 1 meets the convex surface 5 of the lens 3. Thanks to the fact that the lens 3 is made of material translucent to laser radiation, the latter passes through it and is focused by the two surfaces 5 and 4 of the lens 3 and by the solid body in point 1 of the translucent medium. consequently, at point O1, an optical breakdown of the medium takes place and a spherical pressure shock wave is formed. By virtue of the fact that the concave surface 4 of the lens 3 is the surface which focuses the spherical shock wave, the latter, having partly reflected from the concave surface 4, focuses at the point 2 located on the side of the concave surface 4 of the lens 3, opposite the laser 1.
Ainsi dans cette variante de réalisation du dispositif pour former des ondes de choc focalisées, les deux focalisations, celle du rayonnement laser et celle de l'onde de choc, sont aussi effectuées par un seul et même élément : la lentille 3. Thus in this variant embodiment of the device for forming focused shock waves, the two focuses, that of the laser radiation and that of the shock wave, are also carried out by one and the same element: the lens 3.
Pour pouvoir changer la disposition relative du point de focalisation du rayonnement laser et du point de focalisation de l'onde de choc sphérique, l'invention offre la possibilité d'utiliser un jeu de lentilles 3 interchangeables avec différents rapports entre les rayons de courbure de leurs surfaces 4, 5, ce qui simplifie davantage l'utilisation du dispositif. In order to be able to change the relative arrangement of the focal point of the laser radiation and of the focal point of the spherical shock wave, the invention offers the possibility of using a set of interchangeable lenses 3 with different ratios between the radii of curvature of their surfaces 4, 5, which further simplifies the use of the device.
On peut également employer une lentille 3 dont les principaux axes optiques (figure 2) de la surface concave 4 et de la surface convexe 5 sont orientés sous un angle l'un par rapport à l'autre. Notamment, le principal axe optique de la surface convexe 5 coïncide avec l'axe du faisceau laser, tandis que le principal axe optique de la surface concave 4 fait un angle avec cet axe du faisceau laser. One can also use a lens 3 whose main optical axes (Figure 2) of the concave surface 4 and the convex surface 5 are oriented at an angle to each other. In particular, the main optical axis of the convex surface 5 coincides with the axis of the laser beam, while the main optical axis of the concave surface 4 makes an angle with this axis of the laser beam.
Dans ce cas, le claquage optique du milieu aura lieu sur l'axe du faisceau laser, tandis que l'onde de choc sphérique engendrée par ce claquage, s'étant réfléchie de la surface concave 4, se focalisera au point 2 situé en dehors de la zone du rayonnement laser. Ce schéma permet de protéger par écran l'objet de traitement par onde de choc contre le rayonnement laser. In this case, the optical breakdown of the medium will take place on the axis of the laser beam, while the spherical shock wave generated by this breakdown, having reflected from the concave surface 4, will focus at point 2 located outside of the laser radiation area. This diagram protects the object of treatment by shock wave against laser radiation.
Avec un effet positif maximum, le dispositif selon l'invention est utilisable en médecine pour les besoins des diagnostics et de la lithotripsie extra-corporelle. With a maximum positive effect, the device according to the invention can be used in medicine for the needs of diagnostics and extra-corporal lithotripsy.
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